EDA技术探索之阈值电压

EDA/IC设计

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2022年,集成电路半导体行业最热的头条是“EDA被全面封锁”。如何突破EDA封锁,成为行业发展的关键词,也是群体焦虑。在全球市场,有人比喻EDA是“芯片之母”,如果没有了芯片,工业发展和社会进步将处处受制,EDA的重要性也上升到了战略性高度。尽管国际封锁形势严峻,但睿智的中国科技人擅于把危机化为机会,从《加快自动研发应用,让工业软件不再卡脖子》,到《破解科技卡脖子要打好三张牌》,即一要打好“基础牌”,提升基础创新能力;二要打好“应用牌”,加强对高精尖国货的应用;三是要打好“人才牌”,让人才留得住、用得上、有发展……,各种政策、举措和实际行动,处处彰显了我们中国科技的发展韧性。

我们EDA探索频道,今天迎来了第二期的精彩内容——阈值电压,下面就跟着小编一起来开启今天的探索之旅吧~

“信息社会,数字时代,数码产品”这些词汇填充了我们生活的每个角落。010101的图片常常作为营造“科技感”氛围的重要工具。

在实现层面上,0与1往往会用开关的通断来表示。这个开关有多种实现方式,包括继电器和电子管,还包括三体人的人列计算机。

注:人列计算机就是由人组成的计算机。但是人数需求庞大(在小说中人数为三千万士兵),由人组成计算机的的各个部位,由各种符号代替二进制进行运算。

而现代集成电路一般使用MOS管,其本质是一个压控开关。压指的就是栅极的电压,而它控的就是源极和漏极之前的电流。既然叫做开关,那就需要有一个区别开态与关态的状态。回到本系列的惯用伎俩“以水比电”上面,一个MOS管就像一个水龙头一样。由龙头的开关来控制水流的通断和大小。

用水龙头的比喻来看,从没有水,到有水,再到水流开最大。这其中包含了更复杂的过程,因为这并不是一个“阶跃“的过程,而是从无到有然后从小到大的过程(严格意义上来说,由于反向漏电流的存在,并不是完全的零电流)。这其中最关键的便是从无到有的标志点,即所谓的“阈值”。在小于阈值电压的点,我们认为MOS管是关断的,大于阈值电压的点,MOS管开始导通。因此阈值电压是一个MOS管非常关键的参数,成为描述MOS管参数体系的基石之一。

阈值电压

图:MOS管转移特性曲线

从物理的角度来看,我们可以把阈值电压看做反应层建立时的栅压。MOS管的源漏之间有沟道相隔,一般情况下,由于沟道与源漏反型(方便起见,带有沟道预先掺杂的耗尽管晶体管这里不讨论),几乎没有电流通过。当有反型层开始建立时,电流有了通路。随着反型加深,电流的通路逐步拓宽,源漏间的电流不断加大。

基于半导体物理的视角,MOS器件的阈值电压如下:

阈值电压

其中第一项是反型层的电容引起的电压降,第二项是达到强反型所对应的电压(一般认为是2倍的表面势),第三项是平带电压,即考虑了界面电荷与栅极接触的功函数。

在这个角度下得到阈值电压物理意义较为明确,宏观量与微观量形成了紧密的连接。但是问题也出在了这里。正如前面提到的,电流的增加是逐步出现的,并不是一下子达到完全的开启状态。因此在实际操作中,通过IV曲线很难找到一个明确的转折点来读出阈值电压。而公式当中的物理量又很难在实践中获得。在实际操作当中,往往采用JEDEC(固态技术协会是微电子产业的领导标准机构)所推荐的标准。

根据JEDEC推荐有两种计算阈值电压的方法:

第一是Constant current threshold voltage,即恒电流法阈值电压

阈值电压

第二是Extrapolated threshold voltage,即外推法阈值电压

阈值电压

从理论上来说,使用外推法得到的阈值电压会更加的准确。但是在操作当中又不免陷入与半导体物理定义阈值电压同样的尴尬,即操作上比较复杂。要得到整个的跨导并且求最大值。所以实际应用当中,采用直接法。即在一定的MOSFET宽长比下面,电流达到归一化的100nA所对应的电压,即是阈值电压了。

鲁迅先生曾说过:“尺有所短,寸有所长。操作复杂,不如不用。”

这件事情告诉我们,很多时候有理论价值和创新性是不够的,能够在市场上获得更多人的认可也是价值广泛传播的重要因素。

编辑:黄飞

 

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